Diseño e implementación de un algoritmo de control avanzado para la estabilización de un Quadrotor basado en el autopiloto Pixhawk y un sistema de posicionamiento RTK-GPS

Abstract

[ES] Los reguladores tipo PID son, sin lugar a dudas, los de mayor implantación dentro de un entorno industrial. Estos, se componen de 3 factores básicos de control, proporcional, integral y derivativo (P + I + D). Sin embargo, la cada vez mayor automatización de sistemas y procesos más complejos, hace necesaria la aparición de nuevos algoritmos de control que, conservando las principales ventajas de los reguladores tipo PID, se adapten mejor al control de procesos más complejos, como pueden ser aquellos, multivariables, con una dinámica rápida o inestables. Este es el caso de los vehículos aéreos no tripulados, y en concreto de los Quadrotors, la mayoría de autopilotos comerciales, todavía usan reguladores tipo PID (con diferentes configuraciones), sin embargo, la necesidad cada vez mayor, de dotar a estos dispositivos, no solo de la capacidad de vuelo hover, sino también de poder ejecutar maniobras agresivas, hace necesario, el desarrollo de nuevos algoritmos que, sin perder las propiedades de los reguladores PID, se ajusten mejor al control de estos dispositivos (multivariables e inestables). Entre estos nuevos algoritmos, se ha popularizado el Extended State Observer (ESO), el cual es el principal elemento del Active Disturbance Rejection Control (ADRC), un nuevo paradigma de control que nació con la vocación de sustituir al popular PID. Por otro lado, si se desea realizar un control de posición de un vehículo aéreo no tripulado, es necesario disponer de algún sistema de posicionamiento de dicho vehículo, a partir del cual poder diseñar el sistema de control. En particular, y para exteriores se han popularizado los sistemas de posicionamiento global pasados en sensores RTK-GPS.

En este TFG, el alumno deberá realizar las siguientes tareas: a) A partir del autopiloto comercial Pixhawk, entender el funcionamiento de los elementos HW y SW que componen un sistema Quadrotor b) Ensamblado del sistema Pixhawk junto a los demás elementos que componen un sistema Quadrotor (fuselaje, driver-motores, etc.) c) Integración HW/SW del sistema RTK-GPS en el entorno Pixhawk d) Modelado del sistema Quadrotor, tanto del modelo no lineal, como de su simplificación linealizada e) Diseño e implementación de varias configuraciones PID para familiarizar al alumno con el entorno de programación, simulación y ejecución del Pixhawk f) Diseño e implementación de un sistema de control en cascada, basado en un ESO, para el control integral del Quadrotor g) Ajuste experimental y validación del algoritmo implementado La realización de este TFG, se plantea para que el alumno ponga en práctica y profundice los conocimientos adquiridos en varias disciplinas del Grado en Ingeniería en Tecnologías Industriales, tales como los aprendidos en las asignaturas de Sistemas Automático y Tecnología Automatización, así como su integración y coincidencia con otras disciplinas, como conocimientos de electrónica y programación, necesarias para poder realizar la implementación computacional y ajuste experimental del algoritmo de control diseñado.

[EN] The PID type regulators are, without a doubt, the most established in an industrial environment. These are composed of 3 basic factors of control, proportional, integral and derivative (P + I + D). However, the increasing automation of more complex systems and processes, makes necessary the emergence of new control algorithms that, while retaining the main advantages of PID-type regulators, adapt better to the control of more complex processes, such as those multivariables, with fast or unstable dynamics. This is the case of unmanned aerial vehicles, and specifically the Quadrotors. Majority of commercial autopilots still use PID-type regulators (with different configurations). However, the increasing need to provide these devices, not only hover flight capacity, but also to be able to execute aggressive maneuvers, makes necessary the development of new algorithms that, without losing the properties of the PID regulators, to adjust better to the control of these devices (multivariable and unstable). Among these new algorithms, the Uncertainity and Disturbance Estimator (UDE) base don the control from known states; and the Extended State Observer (ESO) have become popular. ESO is the main element of the Active Disturbance Rejection Control (ADRC), a new control paradigm that was born with the vocation of replacing the popular PID. On the other hand, if it is desired to perform a position control of an unmanned aerial vehicle, it is necessary to have some positioning system of said vehicle, from which to design the control system. In particular, and for outdoor applications, global positioning systems bassed on RTK-GPS sensors have become popular. In this way, the realization of this TFG, is proposed for the student to desing advanced control strategies, putting into practice and deepening the knowledge acquired in various disciplines of the Degree in Engineering in Industrial Technologies, such as those learned in the subjects of Automatic Systems and Automation Technology, as well as its integration and coincidence with other disciplines, such as knowledge of electronics and programming, necessary to be able to carry out the computational implementation and experimental adjustment of the designed control algorithm.